Наночастицы активно применяются в медицине для диагностики как контрастные агенты, а также для терапии различных заболеваний. Однако разработка многих новых многофункциональных наноагентов сдерживается трудностью мониторинга их судьбы в организме. Коллаборация ученых из МФТИ, Института биоорганической химии РАН, Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, МИФИ и Университета «Сириус» разработала новый неинвазивный метод наблюдения за наночастицами в кровотоке, обладающий высоким временным разрешением. Метод позволил установить основные закономерности, которые влияют на жизнь частиц в кровотоке и представляются перспективными для разработки более эффективных наноагентов для биомедицинских применений. Результаты опубликованы в Journal of Controlled Release.
Клинические применения любых наночастиц требуют точного анализа их поведения в организме, особенно — времени нахождения наночастиц в кровотоке. Именно этот параметр определяет, успеют ли наночастицы распространиться по организму, достигнуть свою терапевтическую мишень (например, опухоль) и связаться с ней. Кроме того, излишне длинное время циркуляции может быть вредно, так как может привести к накоплению частиц в здоровых тканях и, соответственно, повысить их побочную токсичность.
Циркуляция наночастиц в кровотоке сегодня изучается главным образом с помощью различных методов забора образцов крови и анализа содержания в ней наноагентов. «Проблема таких методов в том, что часто частицы выводятся из кровотока очень быстро, иногда даже за несколько минут, и исследователь успевает взять только 2–3 образца крови, что недостаточно для полноценного анализа», — комментирует Максим Никитин, соавтор статьи, заведующий лабораторией нанобиотехнологий МФТИ. Кроме того, сама процедура последовательного взятия крови приносит стресс организму и может опосредованно повлиять на циркуляцию наночастиц. Новые неинвазивные методы отслеживания судьбы наночастиц в организме крайне востребованы для развития наномедицины.
Авторы работы применили разработанный ими ранее индукционный метод детекции магнитных частиц (MPQ — англ. magnetic particle quantification) для неинвазивного измерения динамики частиц в крови. Для этого они помещали хвост животных, мышей или кроликов, в магнитную катушку прибора, затем вводили частицы в кровь и наблюдали за их концентрацией в хвостовых венах и артериях в реальном времени. Подобные измерения могут проводиться и на человеке, например, измерением магнитной катушкой частиц в руке или на кончиках пальцев.
Схема проведения экспериментов. Хвост мыши помещался в катушку, частицы, циркулирующие по сосудам хвоста детектировались магнитной катушкой в реальном времени. Источник: Journal of Controlled Release
Исследования показали, что используемый метод дает возможность неинвазивно регистрировать уникальные по информативности кинетики частиц в кровотоке, причем гораздо проще, чем классические подходы. Это позволило подробно изучить, что может повлиять на поведение частиц в кровотоке животных. Исследователи изучили три группы факторов: свойства частиц, особенности их введения, а также состояние организма животного. Дольше пребывали в кровотоке маленькие отрицательно-заряженные наночастицы, вводимые в высоких дозах. Кроме того, было обнаружено, что если вводить в кровь частицы несколько раз подряд, то циркуляция последующих доз частиц значительно продлевается.
«Подобные ситуации могут встречаться в клинической практике, когда человеку сначала вводятся наноагенты, увеличивающие МРТ-контраст (магнитные частицы), а потом — терапевтические наночастицы, например, липосомы с лекарством. Мы показали, что частицы могут влиять друг на друга, и это может быть важно при терапии», — комментирует Иван Зелепукин, первый автор статьи и младший научный сотрудник Института биоорганической химии РАН и МФТИ.
Крайне важным аспектом оказалось состояние организма, в который вводятся частицы. Так, циркуляция у мышей разных генетических линий могла отличаться в несколько раз, причем различие наблюдалось только для маленьких 50-нм частиц, а не для более крупных наноагентов. Кроме того, если животное имело развитую опухоль, наночастицы начинали быстрее выводиться из крови, причем тем скорее, чем больше объем раковой опухоли. Эти факты в работе связываются с динамическими изменениями иммунной системы и ее большей способностью к распознаванию инородных веществ при развитии патологии. Обычно подобная информация о состоянии организма игнорировалась ранее в экспериментах, поэтому своими результатами авторы привлекают внимание к необходимости открыть этот ящик Пандоры для оптимального дизайна нанолекарств.
«Настолько подробное и разностороннее исследование поведения частиц даже с весьма коротким временем пребывания в кровотоке животного было проведено впервые. Оно было бы невозможно без той методологии, которая разрабатывается в Институте общей физики РАН. Наш метод сочетает в себе высокие чувствительность, временное разрешение и точность. Кроме того, он не требует инвазивных процедур и позволяет регистрировать содержание и динамику наночастиц практически в реальном времени. Это позволило получить большой объем важной информации и выявить новые закономерности, например, о разной динамике частиц у животных с разным иммунным статусом, наличием опухолей и т. д. Кроме того, развитая методика позволила задействовать на порядки меньшее количество животных в исследовании, что крайне важно как по временным и финансовым соображениям, так и для реализации прогрессивного этического принципа работы с животными 3R: Replacement, Reduction and Refinement (замена, сокращение и повышение качества). Мы полагаем, что более глубокое понимание основополагающих механизмов может значительно облегчить рациональное проектирование наноматериалов с расширенной функциональностью и оптимальной фармакокинетикой для диагностики и терапии будущего», — резюмирует Пётр Никитин, соавтор исследования, заведующий лабораторией биофотоники ИОФ РАН.
Работа была выполнена при поддержке Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований.
